汽车超高强度钢薄板的选用和加工工艺

作者：上海工程技术大学 蒋妙范

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 汽车超高强度钢（AHSS）薄板是现代轿车车身制造过程中的首选材料。使用该材料后，车身重量会下降20%左右，整车重量会下降3至5%，轿车的燃油消耗下降2%左右，轿车的废气排放情况也会有所改善。新材料及其相应新工艺中的制定板材技术、智能化冲压技术和激光技术等，使现代车身制造技术产生了一个新的飞跃。 在汽车车身制造的发展进程中，早期的汽车车身是使用低强度钢薄板（如A1、A2、A3钢板），屈服强度少于210MPa。后来，大多数汽车车身都使用高强度钢板（如HSS钢，包括CMN、HSLA、BH、HSSIF钢等），屈服强度在210Mpa至550MPa之间。近几年，有些汽车开始采用超高强度钢薄板（AHSS钢中M、DP、TRIP、CP钢），其屈服强度在550MPa至1200MPa之间。目前全世界拥有6.25亿辆汽车，这成为大量能源的消耗，大量产生排放和噪音，造成环境污染的主要源头。在汽车制造中采用超高强度钢薄板，是解决汽车车身自重大、噪音大、油耗高、回收利用率低、成本高等难题的有效途径之一。 性能和选用 汽车车身用超高强度钢薄板，主要是指AHSS钢，包括：双相钢（DP）、相变诱导塑性钢（TRIP）、复相钢（CP）和马氏体钢（M）。这类钢主要通过相应的相变来强化组织结构，达到相对的超高强度（强度范围500至1500MPa），并且具有较高的疲劳强度、成型塑性、碰撞吸收性能、高的减振减重潜能和低的平面各向异性等优点。 DP钢 DP钢主要的组织是铁素体和马氏体或奥氏体，其中马氏体含量在5%至20%之间。强度为500至1200MPa,并具有低的屈强比、高硬化指数、高加工硬化指数、高烘烤硬化性能，而没有屈服延伸和室温时效等优点。DP钢一般用于制造高的强度、高的抗碰撞吸收、易成型、要求严格的零件，如车轮轮毂、保险杠、悬挂系统和加强件，也可用在汽车的内外板等零件上。DP钢主要成份是C和Mn，也可适量加CrMo，使C曲线右移，避免冷却时析出珠光体和奥氏体。 TRIP钢 TRIP钢主要组织是铁素体、奥氏体和残留奥氏体。主要成份是C、Si和Mn，其中Si作用是抑制贝氏体转变时渗碳体析出。屈服强度为600至800MPa。与其他同级别的高强度钢相比，TRIP钢的最大特点是兼具高强度和高延伸性能，可冲制较复杂的零件；还具有高碰撞吸收性能，车身一旦遭遇碰撞，通过自身形变来吸收能量，而不向外传递，常用作汽车的保险杠、汽车底盘等。此外，它还具有优良的高速力学性能和抗疲劳性能，主要用于汽车结构件及其加强件、以及拉延深的汽车零件，如机油盘、车门、罩壳等。 TRIP钢系列产品包括热轧、普冷、电镀和热镀锌几大类。宝钢开发成功的TRIP钢，强度级别为60公斤，大致能使车身减薄10%至20%。 CP钢 CP钢主要组织是细小的铁素体和高比例的硬相（马氏体、贝氏体），含有NbTi等元素。CP钢同TRIP钢的冷却模式相同，屈服强度为800至1000MPa，具有较高的吸收性能和吸收扩孔性能，特别适用于制作车门、防撞杆等零件。 M钢 M钢主要组织是通过高温的奥氏体组织快速淬火，转变为板条马氏体组织，含有较高的C、Mn、Si、Cr、Mo、B、V、Ni等合金元素。其最高屈服强度可达1500MPa，是超高强度钢中强度级别最高的钢种，主要用于成型要求低的车身零部件，代替管状零件，减少制造成本。 超高强度钢薄板加工工艺 常用加工工艺 材料的性能、车身的结构决定了零部件的加工工艺，因此工艺与材料和结构的匹配十分重要。通常乘用车车身结构可分：双层薄壳结构（四门总成）、两盖结构（车顶盖、发动机盖）、门柱结构（左右前门柱）、后侧面结构（左右侧面）、外侧外板结构（左右上侧外板）、翼子板结构（左右）、地板结构（左右），共由16块大钣金件总成组成。由于各结构的形状、用材、受力等不一样，对强度、刚度、拉延、塑性变形的要求各有不同，一般情况下要根据按结构的形式和要求选择冲压工艺。如，压力机下的气垫反向式正向拉延成型，选择外压成型式；内压成型或滚动旋压工艺选择机械压垫、气压气垫等；工艺装备必要时要考虑机械化、自动化和工夹具。另外，还要按结构情况选择各种连接的方式，如焊接、铆接和搭接。 特殊加工工艺 新材料特性必然产生新的加工工艺，新的加工工艺是新材料正确使用的根本保证。目前，超高强度钢板薄板的车身生产有如下特殊加工工艺。 定制板材工艺 定制板材是将不同的性能、不同形状、不同厚度、不同表面处理状况和表面覆层钢板根据规定的车身尺寸、形状要求拼焊在一起，因而又称“激光拼焊”。拼焊钢板形成冲压板料毛坯，然后经冲压成型，获得高性能冲压件，如侧围底板、内门板、支柱等。 定制板材工艺的重点是焊接和冲压两个方面的工序，有多种焊接工艺适合于板材定制的生产，然而只有CO2激光焊接、Na:YAG激光焊接和电阻焊在实际生产中获得了稳定的应用。 汽车车身及其附件中的钣金件约有一百多个零件，采用定制板材技术后，可使钣金的零件数量减少60%左右，因此大大减少模具的数量，使车身钣金件和附件的结构大大简化，提高车身的刚度和坚固性，从而提高汽车的整体结构质量和可靠性，降低生产成本，提高经济性，使车身钣金件的制造向高质量、低成本、大生产的目标进军。 变压边力技术 传统的恒定压边力成型往往难以控制钣金件起皱、厚度减薄量过大和开裂这几种缺陷，为此，有关专家提出了在不同变形特点的成型阶段设置不同的压边力。在一般生产中，用优化目标函数和智能化变压边力设备进行加工，虽然工艺设计难度变大，但可以充分利用材料的成型性能，提高零件的成型质量，从而提高产品的合格率。 冲压智能化技术 板材冲压成型的智能化控制是计算机科学与板材成型理论相结合的综合技术。根据对被加工对象的特征物理量的监测和控制（如材料温升和材料厚度变化等），在识别材料的性能参数时，预测最优工艺参数，并自动化选择最优的参数完成板材的成型过程。 激光成型和激光技术 用激光照射板料的表面某处，该处被瞬间加热至高温，同时，加热区的热膨胀使板料产生与激光源相反方向的弯曲，冷却后成型，或者在激光加热时冲压成型。因此，激光成型技术适合用于受结构限制时工具无法靠近、冲压力较小的情况下进行。激光技术还包括，激光加热、激光切割、激光焊接、激光加工和激光表面处理等新技术。 液压成型技术 板料零件的液压膨胀成型属于内高压液压成型，可分为单面液压成型和双面液压成型。目前，汽车车身许多管件和框架机构件都采用各种内高压液压膨胀成型法进行加工。液压成型属于柔性成型技术，模具分为立式和卧式两种。在一般情况下加工时，将板料毛坯放置在上下模具中压边，后进行液压预成型，然后作边缘切割和焊接成型。该技术使复杂形状的零件加工简单化，模具的加工费用下降三分之一，生产周期也可大大缩短，具有广阔的市场发展情景。 超高强度钢薄板在汽车车身中的应用状况 试验证明，采用超高强度钢材料后可以使汽车在轻量化的同时降低汽车摩擦噪音、降低汽车排放、提高车身的质量。由于强度增强可以相对减少用料，减轻汽车重量，以及铝合金目前在防撞凹性及抗冲击性能等方面尚无法完全取代钢材，国际汽车工业早就提出采用减轻汽车自重的高强度钢铁材料。在北美，高强度钢和超高强度钢的研究与应用是与铝、镁合金材料并驾齐驱进行的，并且，超高强度钢已在部分汽车零件上取代铝合金和镁合金，如车轮、座椅骨架、防护板、前门及后门、横梁、拖钩等等。如，标致307 4P车身除发动机罩为铝合金板、翼子板为塑料制成以外，其余所有的车身覆盖件大量使用了高强钢板，尤其是侧骨架中采用了超高强度钢板；CITROEN C5轿车中的横梁是由超高强度钢板组成；通用五菱推出的雪佛兰SPARK车身是由47%超高强度钢板制成，以改善碰撞吸收特性。甚至有的轿车车身薄板所使用的AHSS钢占全部车身材料的83%左右。 目前AHSS使用的限制性因素中，一方面是获得困难，如结构用的高强度钢和超高强度钢，国际先进标准中已经发展和采用了DP、Multi-Phase和Trip，钢级水平也提高到 1500 MPa，而中国在这方面目前还有明显的不足。另外，尽管AHSS有很高的成型性，但使用传统的成型技术是不适合的，必须采用新的技术和设备，即汽车制造厂需要改造现有设备或更换，对设备进行大规模投资。 然而，上述大多数困难会随着时间的推移被解决。AHSS的明显优点是设计师在车身结构设计上采用更薄的钢板，并获得相同的强度，因此，尽管AHSS比传统钢在价钱上更贵，但由于减轻了重量，实际成本相近。预计，在今后十年，超高强度钢在汽车中的应用会大幅度增加。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/14/2004)